Really revert all of the recent rotating changes.
[matthijs/master-project/cλash.git] / Flatten.hs
index ee70446eaf5ed1b39ff56630b107a49f07fd1077..d25ef73aceabb2feec43007b1a469b267a72ce09 100644 (file)
 module Flatten where
 import CoreSyn
-import qualified Control.Monad.State as State
-
--- | A datatype that maps each of the single values in a haskell structure to
--- a mapto. The map has the same structure as the haskell type mapped, ie
--- nested tuples etc.
-data HsValueMap mapto =
-  Tuple [HsValueMap mapto]
-  | Single mapto
-  | Unused
-  deriving (Show, Eq)
-
-data FlatFunction = FlatFunction {
-  args   :: [SignalDefMap],
-  res    :: SignalUseMap,
-  --sigs   :: [SignalDef],
-  apps   :: [App],
-  conds  :: [CondDef]
-} deriving (Show, Eq)
-    
-type SignalUseMap = HsValueMap SignalUse
-type SignalDefMap = HsValueMap SignalDef
-
-type SignalId = Int
-data SignalUse = SignalUse {
-  sigUseId :: SignalId
-} deriving (Show, Eq)
-
-data SignalDef = SignalDef {
-  sigDefId :: SignalId
-} deriving (Show, Eq)
-
-data App = App {
-  appFunc :: HsFunction,
-  appArgs :: [SignalUseMap],
-  appRes  :: SignalDefMap
-} deriving (Show, Eq)
-
-data CondDef = CondDef {
-  cond    :: SignalUse,
-  high    :: SignalUse,
-  low     :: SignalUse,
-  condRes :: SignalDef
-} deriving (Show, Eq)
-
--- | How is a given (single) value in a function's type (ie, argument or
--- return value) used?
-data HsValueUse = 
-  Port           -- ^ Use it as a port (input or output)
-  | State Int    -- ^ Use it as state (input or output). The int is used to
-                 --   match input state to output state.
-  | HighOrder {  -- ^ Use it as a high order function input
-    hoName :: String,  -- ^ Which function is passed in?
-    hoArgs :: [HsUseMap]   -- ^ Which arguments are already applied? This
-                         -- ^ map should only contain Port and other
-                         --   HighOrder values. 
-  }
-  deriving (Show, Eq)
-
-type HsUseMap = HsValueMap HsValueUse
-
-data HsFunction = HsFunction {
-  hsFuncName :: String,
-  hsFuncArgs :: [HsUseMap],
-  hsFuncRes  :: HsUseMap
-} deriving (Show, Eq)
-
-type BindMap = [(
-  String,              -- ^ The bind name
-  Either               -- ^ The bind value which is either
-    SignalUse          -- ^ a signal
-    (
-      HsValueUse,      -- ^ or a HighOrder function
-      [SignalUse]      -- ^ With these signals already applied to it
-    )
-  )]
-
-type FlattenState = State.State ([App], [CondDef], SignalId)
-
--- | Add an application to the current FlattenState
-addApp :: App -> FlattenState ()
-addApp a = do
-  (apps, conds, n) <- State.get
-  State.put (a:apps, conds, n)
-
--- | Add a conditional definition to the current FlattenState
-addCondDef :: CondDef -> FlattenState ()
-addCondDef c = do
-  (apps, conds, n) <- State.get
-  State.put (apps, c:conds, n)
-
--- | Generates a new signal id, which is unique within the current flattening.
-genSignalId :: FlattenState SignalId 
-genSignalId = do
-  (apps, conds, n) <- State.get
-  State.put (apps, conds, n+1)
-  return n
+import qualified Control.Monad as Monad
+import qualified Var
+import qualified Type
+import qualified Name
+import qualified Maybe
+import qualified Control.Arrow as Arrow
+import qualified DataCon
+import qualified TyCon
+import qualified Literal
+import qualified CoreUtils
+import qualified TysWiredIn
+import qualified IdInfo
+import qualified Data.Traversable as Traversable
+import qualified Data.Foldable as Foldable
+import Control.Applicative
+import Outputable ( showSDoc, ppr )
+import qualified Control.Monad.Trans.State as State
+
+import HsValueMap
+import TranslatorTypes
+import FlattenTypes
+import CoreTools
+
+-- Extract the arguments from a data constructor application (that is, the
+-- normal args, leaving out the type args).
+dataConAppArgs :: DataCon.DataCon -> [CoreExpr] -> [CoreExpr]
+dataConAppArgs dc args =
+    drop tycount args
+  where
+    tycount = length $ DataCon.dataConAllTyVars dc
+
+genSignals ::
+  Type.Type
+  -> FlattenState SignalMap
+
+genSignals ty =
+  -- First generate a map with the right structure containing the types, and
+  -- generate signals for each of them.
+  Traversable.mapM (\ty -> genSignalId SigInternal ty) (mkHsValueMap ty)
+
+-- | Marks a signal as the given SigUse, if its id is in the list of id's
+--   given.
+markSignals :: SigUse -> [SignalId] -> (SignalId, SignalInfo) -> (SignalId, SignalInfo)
+markSignals use ids (id, info) =
+  (id, info')
+  where
+    info' = if id `elem` ids then info { sigUse = use} else info
+
+markSignal :: SigUse -> SignalId -> (SignalId, SignalInfo) -> (SignalId, SignalInfo)
+markSignal use id = markSignals use [id]
 
 -- | Flatten a haskell function
 flattenFunction ::
   HsFunction                      -- ^ The function to flatten
-  -> CoreBind                     -- ^ The function value
+  -> (CoreBndr, CoreExpr)         -- ^ The function value
   -> FlatFunction                 -- ^ The resulting flat function
 
-flattenFunction _ (Rec _) = error "Recursive binders not supported"
-flattenFunction hsfunc bind@(NonRec var expr) =
-  FlatFunction args res apps conds
+flattenFunction hsfunc (var, expr) =
+  FlatFunction args res defs sigs
   where
     init_state        = ([], [], 0)
-    (fres, end_state) = State.runState (flattenExpr expr) init_state
+    (fres, end_state) = State.runState (flattenTopExpr hsfunc expr) init_state
+    (defs, sigs, _)   = end_state
     (args, res)       = fres
-    (apps, conds, _)  = end_state
 
+flattenTopExpr ::
+  HsFunction
+  -> CoreExpr
+  -> FlattenState ([SignalMap], SignalMap)
+
+flattenTopExpr hsfunc expr = do
+  -- Flatten the expression
+  (args, res) <- flattenExpr [] expr
+  
+  -- Join the signal ids and uses together
+  let zipped_args = zipWith zipValueMaps args (hsFuncArgs hsfunc)
+  let zipped_res = zipValueMaps res (hsFuncRes hsfunc)
+  -- Set the signal uses for each argument / result, possibly updating
+  -- argument or result signals.
+  args' <- mapM (Traversable.mapM $ hsUseToSigUse args_use) zipped_args
+  res' <- Traversable.mapM (hsUseToSigUse res_use) zipped_res
+  return (args', res')
+  where
+    args_use Port = SigPortIn
+    args_use (State n) = SigStateOld n
+    res_use Port = SigPortOut
+    res_use (State n) = SigStateNew n
+
+
+hsUseToSigUse :: 
+  (HsValueUse -> SigUse)      -- ^ A function to actually map the use value
+  -> (SignalId, HsValueUse)   -- ^ The signal to look at and its use
+  -> FlattenState SignalId    -- ^ The resulting signal. This is probably the
+                              --   same as the input, but it could be different.
+hsUseToSigUse f (id, use) = do
+  info <- getSignalInfo id
+  id' <- case sigUse info of 
+    -- Internal signals can be marked as different uses freely.
+    SigInternal -> do
+      return id
+    -- Signals that already have another use, must be duplicated before
+    -- marking. This prevents signals mapping to the same input or output
+    -- port or state variables and ports overlapping, etc.
+    otherwise -> do
+      duplicateSignal id
+  setSignalInfo id' (info { sigUse = f use})
+  return id'
+
+-- | Creates a new internal signal with the same type as the given signal
+copySignal :: SignalId -> FlattenState SignalId
+copySignal id = do
+  -- Find the type of the original signal
+  info <- getSignalInfo id
+  let ty = sigTy info
+  -- Generate a new signal (which is SigInternal for now, that will be
+  -- sorted out later on).
+  genSignalId SigInternal ty
+
+-- | Duplicate the given signal, assigning its value to the new signal.
+--   Returns the new signal id.
+duplicateSignal :: SignalId -> FlattenState SignalId
+duplicateSignal id = do
+  -- Create a new signal
+  id' <- copySignal id
+  -- Assign the old signal to the new signal
+  addDef $ UncondDef (Left id) id'
+  -- Replace the signal with the new signal
+  return id'
+        
 flattenExpr ::
-  CoreExpr
-  -> FlattenState ([SignalDefMap], SignalUseMap)
+  BindMap
+  -> CoreExpr
+  -> FlattenState ([SignalMap], SignalMap)
+
+flattenExpr binds lam@(Lam b expr) = do
+  -- Find the type of the binder
+  let (arg_ty, _) = Type.splitFunTy (CoreUtils.exprType lam)
+  -- Create signal names for the binder
+  defs <- genSignals arg_ty
+  -- Add name hints to the generated signals
+  let binder_name = Name.getOccString b
+  Traversable.mapM (addNameHint binder_name) defs
+  let binds' = (b, Left defs):binds
+  (args, res) <- flattenExpr binds' expr
+  return (defs : args, res)
+
+flattenExpr binds var@(Var id) =
+  case Var.globalIdVarDetails id of
+    IdInfo.NotGlobalId ->
+      let 
+        bind = Maybe.fromMaybe
+          (error $ "Local value " ++ Name.getOccString id ++ " is unknown")
+          (lookup id binds) 
+      in
+        case bind of
+          Left sig_use -> return ([], sig_use)
+          Right _ -> error "Higher order functions not supported."
+    IdInfo.DataConWorkId datacon -> do
+      if DataCon.isTupleCon datacon && (null $ DataCon.dataConAllTyVars datacon)
+        then do
+          -- Empty tuple construction
+          return ([], Tuple [])
+        else do
+          lit <- dataConToLiteral datacon
+          let ty = CoreUtils.exprType var
+          sig_id <- genSignalId SigInternal ty
+          -- Add a name hint to the signal
+          addNameHint (Name.getOccString id) sig_id
+          addDef (UncondDef (Right $ Literal lit Nothing) sig_id)
+          return ([], Single sig_id)
+    IdInfo.VanillaGlobal ->
+      -- Treat references to globals as an application with zero elements
+      flattenApplicationExpr binds (CoreUtils.exprType var) id []
+    otherwise ->
+      error $ "Ids other than local vars and dataconstructors not supported: " ++ (showSDoc $ ppr id)
+
+flattenExpr binds app@(App _ _) = do
+  -- Is this a data constructor application?
+  case CoreUtils.exprIsConApp_maybe app of
+    -- Is this a tuple construction?
+    Just (dc, args) -> if DataCon.isTupleCon dc 
+      then
+        flattenBuildTupleExpr binds (dataConAppArgs dc args)
+      else
+        error $ "Data constructors other than tuples not supported: " ++ (showSDoc $ ppr app)
+    otherwise ->
+      -- Normal function application
+      let ((Var f), args) = collectArgs app in
+      let fname = Name.getOccString f in
+      if fname == "fst" || fname == "snd" then do
+        (args', Tuple [a, b]) <- flattenExpr binds (last args)
+        return (args', if fname == "fst" then a else b)
+      else if fname == "patError" then do
+        -- This is essentially don't care, since the program will error out
+        -- here. We'll just define undriven signals here.
+        let (argtys, resty) = Type.splitFunTys $ CoreUtils.exprType app
+        args <- mapM genSignals argtys
+        res <- genSignals resty
+        mapM (Traversable.mapM (addNameHint "NC")) args
+        Traversable.mapM (addNameHint "NC") res
+        return (args, res)
+      else if fname == "==" then do
+        -- Flatten the last two arguments (this skips the type arguments)
+        ([], a) <- flattenExpr binds (last $ init args)
+        ([], b) <- flattenExpr binds (last args)
+        res <- mkEqComparisons a b
+        return ([], res)
+      else if fname == "fromInteger" then do
+        let [to_ty, to_dict, val] = args 
+        -- We assume this is an application of the GHC.Integer.smallInteger
+        -- function to a literal
+        let App smallint (Lit lit) = val
+        let (Literal.MachInt int) = lit
+        let ty = CoreUtils.exprType app
+        sig_id <- genSignalId SigInternal ty
+        -- TODO: fromInteger is defined for more types than just SizedWord
+        let len = sized_word_len ty
+        -- Use a to_unsigned to translate the number (a natural) to an unsiged
+        -- (array of bits)
+        let lit_str = "to_unsigned(" ++ (show int) ++ ", " ++ (show len) ++ ")"
+        -- Set the signal to our literal unconditionally, but add the type so
+        -- the literal will be typecast to the proper type.
+        addDef $ UncondDef (Right $ Literal lit_str (Just ty)) sig_id
+        return ([], Single sig_id)
+      else
+        flattenApplicationExpr binds (CoreUtils.exprType app) f args
+  where
+    mkEqComparisons :: SignalMap -> SignalMap -> FlattenState SignalMap
+    mkEqComparisons a b = do
+      let zipped = zipValueMaps a b
+      Traversable.mapM mkEqComparison zipped
 
-flattenExpr _ = do
-  return ([], Tuple [])
+    mkEqComparison :: (SignalId, SignalId) -> FlattenState SignalId
+    mkEqComparison (a, b) = do
+      -- Generate a signal to hold our result
+      res <- genSignalId SigInternal TysWiredIn.boolTy
+      -- Add a name hint to the signal
+      addNameHint ("s" ++ show a ++ "_eq_s" ++ show b) res
+      addDef (UncondDef (Right $ Eq a b) res)
+      return res
+
+    flattenBuildTupleExpr binds args = do
+      -- Flatten each of our args
+      flat_args <- (mapM (flattenExpr binds) args)
+      -- Check and split each of the arguments
+      let (_, arg_ress) = unzip (zipWith checkArg args flat_args)
+      let res = Tuple arg_ress
+      return ([], res)
+
+flattenExpr binds l@(Let (NonRec b bexpr) expr) = do
+  (b_args, b_res) <- flattenExpr binds bexpr
+  if not (null b_args)
+    then
+      error $ "Higher order functions not supported in let expression: " ++ (showSDoc $ ppr l)
+    else do
+      let binds' = (b, Left b_res) : binds
+      -- Add name hints to the generated signals
+      let binder_name = Name.getOccString b
+      Traversable.mapM (addNameHint binder_name) b_res
+      flattenExpr binds' expr
+
+flattenExpr binds l@(Let (Rec _) _) = error $ "Recursive let definitions not supported: " ++ (showSDoc $ ppr l)
+
+flattenExpr binds expr@(Case scrut b _ alts) = do
+  -- TODO: Special casing for higher order functions
+  -- Flatten the scrutinee
+  (_, res) <- flattenExpr binds scrut
+  -- Put the scrutinee in the BindMap
+  let binds' = (b, Left res) : binds
+  case alts of
+    [alt] -> flattenSingleAltCaseExpr binds' res b alt
+    -- Reverse the alternatives, so the __DEFAULT alternative ends up last
+    otherwise -> flattenMultipleAltCaseExpr binds' res b (reverse alts)
+  where
+    flattenSingleAltCaseExpr ::
+      BindMap
+                                -- A list of bindings in effect
+      -> SignalMap              -- The scrutinee
+      -> CoreBndr               -- The binder to bind the scrutinee to
+      -> CoreAlt                -- The single alternative
+      -> FlattenState ( [SignalMap], SignalMap) -- See expandExpr
+
+    flattenSingleAltCaseExpr binds scrut b alt@(DataAlt datacon, bind_vars, expr) =
+      if DataCon.isTupleCon datacon
+        then do
+          -- Unpack the scrutinee (which must be a variable bound to a tuple) in
+          -- the existing bindings list and get the portname map for each of
+          -- it's elements.
+          let Tuple tuple_sigs = scrut
+          -- Add name hints to the returned signals
+          let binder_name = Name.getOccString b
+          Monad.zipWithM (\name  sigs -> Traversable.mapM (addNameHint $ Name.getOccString name) sigs) bind_vars tuple_sigs
+          -- Merge our existing binds with the new binds.
+          let binds' = (zip bind_vars (map Left tuple_sigs)) ++ binds 
+          -- Expand the expression with the new binds list
+          flattenExpr binds' expr
+        else
+          if null bind_vars
+            then
+              -- DataAlts without arguments don't need processing
+              -- (flattenMultipleAltCaseExpr will have done this already).
+              flattenExpr binds expr
+            else
+              error $ "Dataconstructors other than tuple constructors cannot have binder arguments in case pattern of alternative: " ++ (showSDoc $ ppr alt)
+
+    flattenSingleAltCaseExpr binds _ _ alt@(DEFAULT, [], expr) =
+      flattenExpr binds expr
+      
+    flattenSingleAltCaseExpr _ _ _ alt = error $ "Case patterns other than data constructors not supported in case alternative: " ++ (showSDoc $ ppr alt)
+
+    flattenMultipleAltCaseExpr ::
+      BindMap
+                                -- A list of bindings in effect
+      -> SignalMap              -- The scrutinee
+      -> CoreBndr               -- The binder to bind the scrutinee to
+      -> [CoreAlt]              -- The alternatives
+      -> FlattenState ( [SignalMap], SignalMap) -- See expandExpr
+
+    flattenMultipleAltCaseExpr binds scrut b (a:a':alts) = do
+      (args, res) <- flattenSingleAltCaseExpr binds scrut b a
+      (args', res') <- flattenMultipleAltCaseExpr binds scrut b (a':alts)
+      case a of
+        (DataAlt datacon, bind_vars, expr) -> do
+          lit <- dataConToLiteral datacon
+          -- The scrutinee must be a single signal
+          let Single sig = scrut
+          -- Create a signal that contains a boolean
+          boolsigid <- genSignalId SigInternal TysWiredIn.boolTy
+          addNameHint ("s" ++ show sig ++ "_eq_" ++ lit) boolsigid
+          let expr = EqLit sig lit
+          addDef (UncondDef (Right expr) boolsigid)
+          -- Create conditional assignments of either args/res or
+          -- args'/res based on boolsigid, and return the result.
+          -- TODO: It seems this adds the name hint twice?
+          our_args <- Monad.zipWithM (mkConditionals boolsigid) args args'
+          our_res  <- mkConditionals boolsigid res res'
+          return (our_args, our_res)
+        otherwise ->
+          error $ "Case patterns other than data constructors not supported in case alternative: " ++ (showSDoc $ ppr a)
+      where
+        -- Select either the first or second signal map depending on the value
+        -- of the first argument (True == first map, False == second map)
+        mkConditionals :: SignalId -> SignalMap -> SignalMap -> FlattenState SignalMap
+        mkConditionals boolsigid true false = do
+          let zipped = zipValueMaps true false
+          Traversable.mapM (mkConditional boolsigid) zipped
+
+        mkConditional :: SignalId -> (SignalId, SignalId) -> FlattenState SignalId
+        mkConditional boolsigid (true, false) = do
+          -- Create a new signal (true and false should be identically typed,
+          -- so it doesn't matter which one we copy).
+          res <- copySignal true
+          addDef (CondDef boolsigid true false res)
+          return res
+
+    flattenMultipleAltCaseExpr binds scrut b (a:alts) =
+      flattenSingleAltCaseExpr binds scrut b a
+
+flattenExpr _ expr = do
+  error $ "Unsupported expression: " ++ (showSDoc $ ppr expr)
+
+-- | Flatten a normal application expression
+flattenApplicationExpr binds ty f args = do
+  -- Find the function to call
+  let func = appToHsFunction ty f args
+  -- Flatten each of our args
+  flat_args <- (mapM (flattenExpr binds) args)
+  -- Check and split each of the arguments
+  let (_, arg_ress) = unzip (zipWith checkArg args flat_args)
+  -- Generate signals for our result
+  res <- genSignals ty
+  -- Add name hints to the generated signals
+  let resname = Name.getOccString f ++ "_res"
+  Traversable.mapM (addNameHint resname) res
+  -- Create the function application
+  let app = FApp {
+    appFunc = func,
+    appArgs = arg_ress,
+    appRes  = res
+  }
+  addDef app
+  return ([], res)
+-- | Check a flattened expression to see if it is valid to use as a
+--   function argument. The first argument is the original expression for
+--   use in the error message.
+checkArg arg flat =
+  let (args, res) = flat in
+  if not (null args)
+    then error $ "Passing lambda expression or function as a function argument not supported: " ++ (showSDoc $ ppr arg)
+    else flat 
+
+-- | Translates a dataconstructor without arguments to the corresponding
+--   literal.
+dataConToLiteral :: DataCon.DataCon -> FlattenState String
+dataConToLiteral datacon = do
+  let tycon = DataCon.dataConTyCon datacon
+  let tyname = TyCon.tyConName tycon
+  case Name.getOccString tyname of
+    -- TODO: Do something more robust than string matching
+    "Bit"      -> do
+      let dcname = DataCon.dataConName datacon
+      let lit = case Name.getOccString dcname of "High" -> "'1'"; "Low" -> "'0'"
+      return lit
+    "Bool" -> do
+      let dcname = DataCon.dataConName datacon
+      let lit = case Name.getOccString dcname of "True" -> "true"; "False" -> "false"
+      return lit
+    otherwise ->
+      error $ "Literals of type " ++ (Name.getOccString tyname) ++ " not supported."
+
+appToHsFunction ::
+  Type.Type       -- ^ The return type
+  -> Var.Var      -- ^ The function to call
+  -> [CoreExpr]   -- ^ The function arguments
+  -> HsFunction   -- ^ The needed HsFunction
+
+appToHsFunction ty f args =
+  HsFunction hsname hsargs hsres
+  where
+    hsname = Name.getOccString f
+    hsargs = map (useAsPort . mkHsValueMap . CoreUtils.exprType) args
+    hsres  = useAsPort (mkHsValueMap ty)
 
+-- | Filters non-state signals and returns the state number and signal id for
+--   state values.
+filterState ::
+  SignalId                       -- | The signal id to look at
+  -> HsValueUse                  -- | How is this signal used?
+  -> Maybe (StateId, SignalId )  -- | The state num and signal id, if this
+                                 --   signal was used as state
 
+filterState id (State num) = 
+  Just (num, id)
+filterState _ _ = Nothing
 
+-- | Returns a list of the state number and signal id of all used-as-state
+--   signals in the given maps.
+stateList ::
+  HsUseMap
+  -> (SignalMap)
+  -> [(StateId, SignalId)]
 
+stateList uses signals =
+    Maybe.catMaybes $ Foldable.toList $ zipValueMapsWith filterState signals uses
+  
 -- vim: set ts=8 sw=2 sts=2 expandtab: